常见运放滤波电路.doc

1、滤波电路这 节 非 常 深 入 地 介 绍 了 用 运 放 组 成 的 有 源 滤 波 器 。 在 很 多 情 况 中 ， 为 了 阻挡 由 于 虚 地 引 起 的 直 流 电 平 ， 在 运 放 的 输 入 端 串 入 了 电 容 。 这 个 电 容 实 际 上 是一 个 高 通 滤 波 器 ， 在 某 种 意 义 上 说 ， 像 这 样 的 单 电 源 运 放 电 路 都 有 这 样 的 电 容 。设 计 者 必 须 确 定 这 个 电 容 的 容 量 必 须 要 比 电 路 中 的 其 他 电 容 器 的 容 量 大 100 倍 以 上 。 这 样 才 可 以 保 证 电 路 的 幅 频

2、 特 性 不 会 受 到 这 个 输 入 电 容 的 影 响 。 如 果这 个 滤 波 器 同 时 还 有 放 大 作 用 ， 这 个 电 容 的 容 量 最 好 是 电 路 中 其 他 电 容 容 量 的1000 倍 以 上 。 如 果 输 入 的 信 号 早 就 包 含 了 VCC/2 的 直 流 偏 置 ， 这 个 电 容 就 可以 省 略 。 这 些 电 路 的 输 出 都 包 含 了 VCC/2 的 直 流 偏 置 ， 如 果 电 路 是 最 后 一 级 ， 那么 就 必 须 串 入 输 出 电 容 。 这 里 有 一 个 有 关 滤 波 器 设 计 的 协 定 ， 这 里 的 滤

3、波 器 均 采 用 单 电 源 供 电 的 运放 组 成 。 滤 波 器 的 实 现 很 简 单 ， 但 是 以 下 几 点 设 计 者 必 须 注 意 ： 1. 滤 波 器 的 拐 点 (中 心 )频 率2. 滤 波 器 电 路 的 增 益3. 带 通 滤 波 器 和 带 阻 滤 波 器 的 的 Q 值4. 低 通 和 高 通 滤 波 器 的 类 型 (Butterworth 、 Chebyshev、 Bessell)不 幸 的 是 要 得 到 一 个 完 全 理 想 的 滤 波 器 是 无 法 用 一 个 运 放 组 成 的 。 即 使 可能 ， 由 于 各 个 元 件 之 间 的 负 杂

4、 互 感 而 导 致 设 计 者 要 用 非 常 复 杂 的 计 算 才 能 完 成滤 波 器 的 设 计 。 通 常 对 波 形 的 控 制 要 求 越 复 杂 就 意 味 者 需 要 更 多 的 运 放 ， 这 将根 据 设 计 者 可 以 接 受 的 最 大 畸 变 来 决 定 。 或 者 可 以 通 过 几 次 实 验 而 最 终 确 定 下来 。 如 果 设 计 者 希 望 用 最 少 的 元 件 来 实 现 滤 波 器 ， 那 么 就 别 无 选 择 ， 只 能 使 用传 统 的 滤 波 器 ， 通 过 计 算 就 可 以 得 到 了 。 3 1 一 阶 滤 波 器 一 阶 滤 波

5、 器 是 最 简 单 的 电 路 ， 他 们 有 20dB 每 倍 频 的 幅 频 特 性 3 1 1 低 通 滤 波 器 典 型 的 低 通 滤 波 器 如 图 十 三 所 示 。 图十三3 1 2 高 通 滤 波 器 典 型 的 高 通 滤 波 器 如 图 十 四 所 示 。 图十四3 1 3 文 氏 滤 波 器 文 氏 滤 波 器 对 所 有 的 频 率 都 有 相 同 的 增 益 ， 但 是 它 可 以 改 变 信 号 的 相 角 ，同 时 也 用 来 做 相 角 修 正 电 路 。 图 十 五 中 的 电 路 对 频 率 是 F 的 信 号 有 90 度 的 相移 ， 对 直 流 的

6、 相 移 是 0 度 ， 对 高 频 的 相 移 是 180 度 。 3 2 二 阶 滤 波 器 二 阶 滤 波 电 路 一 般 用 他 们 的 发 明 者 命 名 。 他 们 中 的 少 数 几 个 至 今 还 在 使 用 。有 一 些 二 阶 滤 波 器 的 拓 扑 结 构 可 以 组 成 低 通 、 高 通 、 带 通 、 带 阻 滤 波 器 ， 有 些则 不 行 。 这 里 没 有 列 出 所 有 的 滤 波 器 拓 扑 结 构 ， 只 是 将 那 些 容 易 实 现 和 便 于 调整 的 列 了 出 来 。 图十五 (见图十七上 )二 阶 滤 波 器 有 40dB 每 倍 频 的 幅

7、 频 特 性 。 通 常 的 同 一 个 拓 扑 结 构 组 成 的 带 通 和 带 阻 滤 波 器 使 用 相 同 的 元 件 来 调 整 他们 的 Q 值 ， 而 且 他 们 使 滤 波 器 在 Butterworth 和 Chebyshev 滤 波 器 之 间 变 化 。必 须 要 知 道 只 有 Butterworth 滤 波 器 可 以 准 确 的 计 算 出 拐 点 频 率 ， Chebyshev 和 Bessell 滤 波 器 只 能 在 Butterworth 滤 波 器 的 基 础 上 做 一 些 微 调 。 我 们 通 常 用 的 带 通 和 带 阻 滤 波 器 有 非 常

8、 高 的 Q 值 。 如 果 需 要 实 现 一 个 很宽 的 带 通 或 者 带 阻 滤 波 器 就 需 要 用 高 通 滤 波 器 和 低 通 滤 波 器 串 连 起 来 。 对 于 带通 滤 波 器 的 通 过 特 性 将 是 这 两 个 滤 波 器 的 交 叠 部 分 ， 对 于 带 阻 滤 波 器 的 通 过 特性 将 是 这 两 个 滤 波 器 的 不 重 叠 部 分 。 这 里 没 有 介 绍 反 相 Chebyshev 和 Elliptic 滤 波 器 ， 因 为 他 们 已 经 不 属于 电 路 集 需 要 介 绍 的 范 围 了 。 不 是 所 有 的 滤 波 器 都 可

9、以 产 生 我 们 所 设 想 的 结 果 比 如 说 滤 波 器 在 阻 带的 最 后 衰 减 幅 度 在 多 反 馈 滤 波 器 中 的 会 比 在 Sallen Key 滤 波 器 中 的 大 。 由于 这 些 特 性 超 出 了 电 路 图 集 的 介 绍 范 围 ， 请 大 家 到 教 科 书 上 去 寻 找 每 种 电 路 各自 的 优 缺 点 。 不 过 这 里 介 绍 的 电 路 在 不 是 很 特 殊 的 情 况 下 使 用 ， 其 结 果 都 是 可以 接 受 的 。 3 2 1 Sallen Key 滤 波 器 Sallen-Key 滤 波 器 是 一 种 流 行 的 、

10、 广 泛 应 用 的 二 阶 滤 波 器 。 他 的 成 本 很低 ， 仅 需 要 一 个 运 放 和 四 个 无 源 器 件 组 成 。 但 是 换 成 Butterworth 或Chebyshev 滤 波 器 就 不 可 能 这 么 容 易 的 调 整 了 。 请 设 计 者 参 看 参 考 条 目 【 1】和 参 考 条 目 【 2】 ， 那 里 介 绍 了 各 种 拓 扑 的 细 节 。 这 个 电 路 是 一 个 单 位 增 益 的 电 路 ， 改 变 Sallen Key 滤 波 器 的 增 益 同 时就 改 变 了 滤 波 器 的 幅 频 特 性 和 类 型 。 实 际 上 Sa

11、llen Key 滤 波 器 就 是 增 益 为1 的 Butterworth 滤 波 器 。 图十六 (见图十七中 )3 2 2 多 反 馈 滤 波 器 多 反 馈 滤 波 器 是 一 种 通 用 ， 低 成 本 以 及 容 易 实 现 的 滤 波 器 。 不 幸 的 是 ， 设计 时 的 计 算 有 些 复 杂 ， 在 这 里 不 作 深 入 的 介 绍 。 请 参 看 参 考 条 目 【 1】 中 的 对多 反 馈 滤 波 器 的 细 节 介 绍 。 如 果 需 要 的 是 一 个 单 位 增 益 的 Butterworth 滤 波器 ， 那 么 这 里 的 电 路 就 可 以 给 出

12、一 个 近 似 的 结 果 。 图十七3 2 3 双 T 滤 波 器 双 T 滤 波 器 既 可 以 用 一 个 运 放 也 可 仪 用 两 个 运 放 实 现 。 他 是 建 立 在 三 个 电阻 和 三 个 电 容 组 成 的 无 源 网 络 上 的 。 这 六 个 元 件 的 匹 配 是 临 界 的 ， 但 幸 运 的 是这 仍 是 一 个 常 容 易 的 过 程 ， 这 个 网 络 可 以 用 同 一 值 的 电 阻 和 同 一 值 的 电 容 组 成 。用 图 中 的 公 式 就 可 以 同 时 的 将 R3 和 C3 计 算 出 来 。 应 该 尽 量 选 用 同 一 批 的 元件

13、 ， 他 们 有 非 常 相 近 的 特 性 。 3 2 3 1 单 运 放 实 现 图十八如 果 用 参 数 非 常 接 近 的 元 件 组 成 带 通 滤 波 器 ， 就 很 容 易 发 生 振 荡 。 接 到 虚地 的 电 阻 最 好 在 E 96 1 系 列 中 选 择 ， 这 样 就 可 以 破 坏 振 荡 条 件 。 图十九3 2 3 2 双 运 放 实 现 典 型 的 双 运 放 如 图 20 到 图 22 所 示 图二十图二十一图二十二3 2 4 Fliege 滤 波 器 Fliege 滤 波 器 采 用 了 双 运 放 结 构 (图 二 十 三 图 二 十 六 )， 所 以

14、相 对 于 单运 放 实 现 的 滤 波 器 他 是 一 种 成 本 较 高 的 滤 波 器 ， 但 是 他 对 拐 点 频 率 或 者 Q 值有 非 常 强 的 控 制 能 力 ， 可 以 非 常 方 便 的 进 行 调 整 ， 而 且 他 是 一 种 全 新 的 滤 波 器 。用 它 组 成 的 低 通 、 高 通 、 和 带 通 滤 波 器 的 增 益 是 固 定 的 ， 带 阻 滤 波 器 他 的 增 益是 一 。 图二十三图二十四图二十五图二十六3 2 5Akerberg Mossberg 滤 波 器 图 二 十 七 图 三 十 中 的 三 运 放 滤 波 器 是 很 容 易 实 现

15、 。 对 于 低 通 和 高 通 滤 波器 可 以 很 方 便 的 调 整 增 益 ， 对 于 带 通 和 带 阻 滤 波 器 可 以 非 常 容 易 的 调 整 Q 值 。带 阻 滤 波 器 的 性 能 会 比 双 T 滤 波 器 差 一 些 ， 但 是 也 不 错 。图二十七图二十八图二十九3 2 6 BiQuad Biquad 滤 波 器 是 一 种 出 名 的 滤 波 器 结 构 (图 三 十 一 )。 他 只 能 组 成 低 通 和带 通 滤 波 器 。 低 通 滤 波 器 可 以 根 据 需 要 做 成 同 相 和 反 相 输 出 。 3 2 7 Sate Variable Sat

16、e Variable 是 一 种 三 运 放 或 四 运 放 的 拓 扑 结 构 。 第 四 个 运 放 在 带 阻 滤波 器 中 必 须 使 用 。 他 也 是 一 种 非 常 便 于 调 整 的 滤 波 器 拓 扑 结 构 ， 并 且 他 可 以 很方 便 的 在 低 通 和 高 通 滤 波 器 之 间 相 互 转 换 ， 另 外 对 于 带 通 和 带 阻 滤 波 器 的 Q 值 也 可 以 非 常 方 便 的 进 行 调 整 。 但 是 不 幸 的 是 ， Akerberg Mossberg 并 不 是一 种 令 人 喜 欢 的 拓 扑 结 构 。 因 为 调 整 增 益 、 类 型 、 Q 值 和 限 制 的 电 阻 是 同 一 个电 阻 。 这 就 是 很 多 人 不 愿 意 用 它 的 原 因 ， 除 非 在 应 用 中 同 时 需 要 高 通 、 低 通 、带 通 和 带 阻 滤 波 器 。